A concentração de gases livres em óleo vegetal isolante

Os equipamentos elétricos (transformadores e reatores) podem ser preenchidos com óleo vegetal isolante e isolados com papel ou papelão, ambos celulósicos.

A NBR 16788 de 09/2019 – Óleo vegetal isolante – Interpretação da análise dos gases dissolvidos de transformadores em operação, imersos em óleo vegetal isolante descreve como a concentração de gases livres e dissolvidos no óleo vegetal isolante pode ser interpretada para diagnosticar as condições de equipamentos elétricos (transformadores e reatores) em serviço. Os gases dissolvidos em amostras de óleo vegetal isolante podem ser extraídos e analisados de acordo com a NBR 7070 ou outra metodologia normatizada.

Esta norma é aplicável a equipamentos elétricos (transformadores e reatores) preenchidos com óleo vegetal isolante e isolados com papel ou papelão, ambos celulósicos. Não se aplica a ésteres sintéticos. Em todos os casos avaliados por esta norma, que indicam a possibilidade/tendência às falhas, as indicações obtidas são orientativas e as ações resultantes podem ser estabelecidas pelo usuário.

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Quais são as abreviaturas usadas nessa norma?

Como ocorre a produção de CO2, CO e C2H4?

Como deve ser feita a escolha das porcentagens de normalidade?

Como deve ser feita a aplicação para gases livres em relés de gases?

A análise de gases dissolvidos (AGD) é uma das ferramentas de diagnóstico utilizada para a detecção e avaliação de falhas em equipamentos elétricos (transformadores e reatores) imersos em óleo vegetal isolante. Os gases gerados no óleo vegetal isolante em condições de falha são os mesmos gerados no óleo mineral isolante. No entanto, as proporções e taxas de geração de gás, bem como a solubilidade dos gases formados no óleo vegetal isolante podem ser diferentes comparativamente ao óleo mineral isolante.

A NBR 7070, que é o método de ensaio utilizado para óleo mineral isolante, é aplicável aos óleos vegetais isolantes. Como os coeficientes de solubilidade dos gases no óleo vegetal são diferentes, bem como as quantidades de gases gerados, tanto o método de análise cromatográfica quanto o método de interpretação necessitam de ajustes para este tipo de óleo. No entanto, a infraestrutura laboratorial é a mesma utilizada para óleo mineral isolante. Para o método de amostragem de óleos vegetais isolantes, consultar a NBR 8840.

As diferenças na estrutura química do óleo vegetal isolante em relação ao óleo mineral isolante (ver Anexo A) interferem na quantidade e na forma como alguns gases são gerados, consequentemente, para obter um diagnóstico adequado da condição de operação de um transformador imerso em óleo vegetal isolante, as metodologias de interpretação dos resultados de AGD não serão necessariamente as mesmas aplicadas ao óleo mineral isolante.

Em algumas AGD em amostras de óleo vegetal isolante poli-insaturado (Anexo A) foi observado um pico “suspeito” (não identificado) com tempo de retenção próximo ao tempo do gás acetileno (C2H2). Às vezes esse pico não é mais do que uma elevação da linha de base que se estabiliza rapidamente, podendo facilmente ser distinguido do gás acetileno (figura abaixo). Em outros casos, o pico parece ser genuíno (mais que uma elevação da linha de base) e evolui tão próximo do gás acetileno que pode ser confundido com o acetileno (figura abaixo).

Como a presença de pequenas quantidades de acetileno sugere um exame mais minucioso do transformador, uma avaliação mais profunda deve ser realizada nestes casos, evitando que picos de acetileno sejam atribuídos erroneamente a “picos suspeitos”, principalmente em baixas concentrações ou no início de operação do transformador. Foi observado que esses “picos suspeitos” podem aparecer, desde que entre uma análise e outra não tenha sido feita uma limpeza correta da coluna. Devido à estrutura química do óleo vegetal isolante, é necessário realizar várias corridas em branco (corridas sem injeção de amostra), após uma amostra e outra, para eliminar toda a contaminação que fica retida na coluna.

Conforme literaturas específicas, como o documento do IEEE Std C57.155, 2014, as diferenças mais significativas na geração de gases em óleo vegetal isolante são as seguintes: gás etano é gerado em óleo vegetal isolante contendo ácido linolênico (poli-insaturado) sem que necessariamente exista uma condição de falha; gases metano, etano e etileno, gerados em condição de sobreaquecimento, são formados, comparativamente ao óleo mineral isolante, em volumes maiores, em temperaturas menores e, em proporções diferentes; gases dióxido de carbono e monóxido de carbono são gerados em condições de sobreaquecimento do óleo vegetal isolante, sem que necessariamente envolva falha/degradação térmica do papel isolante.

O óleo vegetal isolante (OVI), também denominado de éster natural isolante (ENI), é constituído por moléculas de triacilgliceróis (triglicerídeos) (ver Figuras A.1 e A.2 – disponíveis na norma), caracterizadas pela ligação de éster, sendo formulado a partir de óleo extraído de fontes renováveis, como sementes/grãos, e aditivos para melhoria de desempenho, atendendo à NBR 15422. Essa formulação, combinada à ausência de estruturas naftênicas e aromáticas presentes no óleo mineral isolante (ver Figura A.3 – disponível na norma), mostra claramente que o óleo vegetal isolante possui composição química notavelmente diferente quando comparado ao óleo mineral isolante.

O estresse térmico e elétrico são as duas principais causas da formação de gás dentro de um transformador em funcionamento. O aquecimento decorrente de condições como sobrecarga, resistência excessiva dos condutores e dispersão do fluxo magnético podem gerar gases a partir da decomposição térmica do líquido isolante e da isolação sólida. Os gases também são gerados a partir da decomposição do líquido e da isolação sólida exposta à descarga elétrica.

Eventos de baixa energia e descargas parciais geram pouco ou nenhum aquecimento, mas, com o aumento progressivo da energia das descargas há também um aumento progressivo na energia térmica liberada. Ainda que a formação de alguns gases seja favorecida, dependendo da temperatura e da energia liberada no defeito, na prática, misturas de gases são quase sempre obtidas. Qualquer formação de gases em serviço, mesmo mínima, resulta de alguma forma de estresse, mesmo que suave, como o envelhecimento devido à temperatura de operação.

De qualquer forma, enquanto a formação de gases estiver abaixo de certos valores típicos, isto não pode ser considerado como uma indicação de defeito, mas preferencialmente como uma “formação de gás típica”. A observação por comparação dos níveis de geração de gases de transformadores com mesmo projeto, fabricante e construído com materiais de mesma época de fabricação também fornece indicações de defeitos.

As etapas fundamentais da decomposição térmica do óleo vegetal isolante envolve a ruptura das ligações de carbono-hidrogênio (C-H) e carbono–carbono (C-C), formando “radicais livres”. Estes radicais livres podem se combinar para formar os gases hidrogênio (H2), metano (CH4), etano (C2H6) etc., ou se recombinar para formar novas moléculas condensáveis. Os processos adicionais de decomposição e rearranjo levam à formação de gases como etileno (C2H4) e acetileno (C2H2).

O stray gassing consiste da geração “espontânea” de gases a partir do líquido isolante em um transformador operando em condições normais e de sobrecarga, sem a ocorrência de uma falha ou defeito. O ensaio laboratorial para medir a formação de gás por stray gassing utilizando o método ASTM D 7150. Um stray gassing característico ocorre nos óleos vegetais isolantes que contêm ácido linolênico. Ácidos graxos insaturados podem formar hidroperóxidos como um dos subprodutos de sua oxidação (ver Figura B.1 na norma). Estes hidroperóxidos podem reagir com porções de clivagem de ácidos graxos da molécula do éster. Ácidos graxos linolênicos formam hidroperóxidos que podem reagir, com pouca energia térmica, para produzir etano.

Os óleos vegetais isolantes à base de soja e canola contêm quantidades maiores deste ácido comparativamente a outros óleos vegetais e podem apresentar, de forma rotineira, volumes mensuráveis de etano gerados a partir de transformadores em condições normais de operação. A exposição ao oxigênio, à luz e ao calor afeta os volumes de etano observados, demandando assim atenção especial na armazenagem e no manuseio do fluido, assim como das amostras em laboratório.

A geração de etano a partir do stray gassing pode ser considerável, mas, a partir de medições de transformadores em operação, foi observado que sua concentração se estabiliza ao longo do tempo de energização do equipamento. A concentração de etano pode atingir várias centenas de μL/L, sem que se observe um aumento considerável nos outros gases combustíveis. O fenômeno do stray gassing pode requerer monitoramento adicional até a estabilização do etano, possibilitando então o estabelecimento de uma linha de base de tendência para este gás. As proporções relativas ou relações dos gases gerados no óleo vegetal isolante pela descarga parcial são semelhantes àquelas geradas no óleo mineral isolante. Mas, em condições idênticas, a quantidade de gases de falha medida no óleo vegetal isolante é cerca de dez vezes menor que a obtida para óleo mineral isolante.

Quando suficientemente aquecido, o óleo vegetal isolante gera gases provenientes das seguintes situações: da decomposição da cadeia hidrocarbônica (ver Anexo C); da decomposição térmica dos grupos funcionais ésteres (ver Figura A.2 na norma) e dos grupos funcionais dos ácidos dissociados; do stray gassing. A quantidade total de gás gerado tende a ser duas ou mais vezes maior comparativamente ao óleo mineral isolante (IEEE Std C57.155, 2014. O aquecimento excessivo do isolamento celulósico de transformadores imersos em líquido isolante resulta na geração de monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2).

A relação CO2/CO é dependente da temperatura e para os óleos vegetais isolantes é tipicamente semelhante à do óleo mineral isolante. Hidrocarbonetos gasosos não são normalmente gerados em quantidades consideráveis pelo isolamento celulósico. Consequentemente, a inexistência destes gases pode ajudar a diferenciar o sobreaquecimento do óleo vegetal isolante do sobreaquecimento do isolamento celulósico, em temperaturas menores que 400 °C a 450 °C. Acima dessa faixa de temperatura, a geração de óxidos de carbono a partir do óleo vegetal isolante irá provavelmente mascarar aquela gerada a partir da celulose.

Como o papel começa a se degradar em temperaturas menores que os fluidos isolantes, transformadores operando em condições normais de temperatura apresentam CO2 e CO dissolvidos no óleo decorrentes do envelhecimento normal do papel. A relação CO2/CO é ocasionalmente usada como indicação da decomposição térmica da celulose, sendo essa relação normalmente maior que sete. Para aumentar o fator de certeza da relação CO2/CO, os valores absolutos de CO2 e CO devem exceder 5.000 μL/L (5 000 ppm) e 500 μL/L (500 ppm), respectivamente. À medida que aumenta a quantidade de CO, a relação CO2/CO diminui, podendo indicar uma anomalia que esteja causando a degradação do isolamento celulósico.

Um grande aumento na taxa de geração de CO2/CO deve ser investigado como possível sobreaquecimento da celulose ou sobreaquecimento de alta temperatura no óleo vegetal isolante. Para avaliar a hipótese de sobreaquecimento de alta temperatura no óleo vegetal isolante, recomenda-se a avaliação conjunta do índice de neutralização (ou acidez) e da concentração de etileno, como ferramentas complementares para interpretação da origem desses gases. Informações adicionais podem ser encontradas em 5.2.1 e 5.2.2.

Gases combustíveis e outros compostos são gerados como subprodutos das reações de pirólise e de decomposição térmica do óleo vegetal isolante. Os subprodutos dessas reações estão descritos nas seções 5.2.1 a 5.2.3. Uma das principais reações da pirólise do óleo vegetal isolante consiste da decomposição do triacilglicerol em ácidos graxos livres e outros compostos não gasosos (hidrocarbonetos). Embora esta reação não gere produtos gasosos, cada um dos produtos pode reagir posteriormente produzindo gases (CO2, CO, C2H4 e H2). Um aumento no índice de neutralização do óleo vegetal isolante pode ser observado a partir destas reações, indicando que os gases a seguir descritos podem ser oriundos da pirólise do fluido.

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